Сварочные процессы как объекты автоматического управления

Формирование сварного соединения можно представить как результат функционирования системы источник питания 1 — источник нагрева 2 — изделие (присадочный материал) 3, отдельные компоненты которой объединены внутренними связями Х_о.с, У_о.с в сложную многоконтурную систему [1] (рис. 1.1). Действие этих связей проявляется в том, что изменение процесса сварки оказывает воздействие на источники нагрева 2 и питания 1. Так, при дуговой сварке изменение глубины провара сопровождается изменением скрытой составляющей длины дуги, а следовательно, изменением напряжения дуги и режима работы источника питания. При ЭШС изменение температуры шлаковой ванны приводит к изменению скорости плавления электрода и силы тока сварочного трансформатора. Изменение сопротивления деталей, соединяемых контактной сваркой, обусловленное наличием окалины или оксидных пленок на поверхностях либо отклонением толщин листов, приводит к изменению силы тока в сварочном контуре, сопровождающимся изменением тепловыделения в зоне сварки и соответствующими отклонениями размеров сварных точек и прочностных характеристик швов в целом.

Среди управляемых источников питания, применяемых в качестве важной составляющей средств автоматизации сварочных процессов, все шире используют инверторные (тиристорные либо транзисторные), обладающие высокими технико-экономическими показателями и улучшенными технологическими свойствами. Такие источники питания обеспечивают плавное изменение выходного напряжения и силы сварочного тока путем применения широтно-импульсного (для транзисторных) либо частотного (для тиристорных) регулирования инверторов. Инверторные источники питания можно переключать с одного режима на другой непосредственно в процессе сварки, что делает их особенно эффективными в робототехнологических комплексах (РТК) и гибких производственных системах (ГПС).

Из источников нагрева наибольшее распространение получили: электрическая дуга (дуговая и плазменная сварка); тлеющий разряд; джоулева теплота, выделяемая при прохождении электрического тока через расплав шлака (электрошлаковая сварка) или металл свариваемых деталей (контактная сварка); электронный луч (электронно-лучевая сварка); луч лазера и др. Управление ими осуществляется регулированием электрических параметров, степенью сжатия дуги, фокусировкой электронного или лазерного луча [1].

Каждый сварочный процесс может быть охарактеризован некоторым числом обобщенных координат (параметров), между которыми существуют как функциональные, так и корреляционные связи. При функциональной связи каждому значению одной координаты соответствует вполне определенное значение другой, связанной с первой, координаты. Например, между силой тока и напряжением источника питания имеет место функциональная связь, определяемая его свойствами. Связь между частотой переноса капель металла через дуговой промежуток и силой сварочного тока является корреляционной, поскольку одному значению силы тока может соответствовать несколько значений частоты переноса. Все параметры процесса сварки можно условно разделить на три группы (табл. 1.1):

• энергетические, характеризующие количество энергии в процессе образования сварного соединения;
• кинематические и геометрические, характеризующие пространственное перемещение или положение источника нагрева относительно изделия;
• технологические, характеризующие условия формирования и кристаллизации сварных швов, переноса электродного металла.

Технологический процесс сварки подвержен возмущениям, нарушающим его нормальное протекание и приводящим, в конечном счете, к отклонениям показателей качества сварного соединения от требуемых значений. Возмущения, независимо от места их приложения в объекте, классифицируют по аналогии с параметрами сварочного процесса.

Рис. 1.1. Представление объекта управления при сварке как сложной многоконтурной системы

Источниками энергетических и кинематических возмущений являются промышленная сеть и сварочное оборудование: источники питания, аппаратура управления, приводы подачи электрода, перемещений и др. Технологические возмущения связаны с несовершенством технологий подготовки заготовок, их сборки и сварки. Совершенствование конструкций сварочного оборудования, применение тиристорных приводов, микропроцессорной техники для управления сварочным циклом позволяют частично или полностью устранить многие из энергетических и кинематических возмущений. Наиболее трудно устранимыми являются технологические возмущения, поскольку усложнение технологической оснастки и технологии заготовки, сборки и сварки изделий во многих случаях оказывается экономически неоправданным. Например, невозможно полностью устранить флуктуации положения электрода относительно свариваемого стыка вследствие тепловых деформаций изделия.

1.1. Группы параметров и возмущений

Закон действия возмущений может быть известен. Например, при наплавке кромок штамповых матриц по рабочему контуру закон изменения возникающих при этом возмущений по длине дуги и углу наклона электрода может быть определен с достаточной степенью точности. При сварке швов значительной протяженности, например при изготовлении спирально-шовных труб, числовые характеристики возмущений по относительному положению электрода и стыка заранее неизвестны.

Для оценки влияния возмущений на технологические характеристики сварного соединения наряду с законом изменения возмущений необходимо учитывать инерционность процесса формирования сварного соединения, обусловленную особенностями передачи теплоты в изделии. Числовой характеристикой инерционности процесса нагрева и плавления металла изделия является тепловая постоянная времени τ_n, определяемая как время, в течение которого температура в зоне сварки достигла бы установившегося значения Т_уст, если бы она изменялась с постоянной скоростью. При ступенчатом изменении термического воздействия на изделие (например, сварочного тока дуги) температура Т в изделии изменяется по следующему закону (рис. 1.2):

где t — время.

Аналогично изменяются геометрические размеры сварного соединения: глубина провара, диаметр сварной точки и др. Тепловая постоянная τ_n, имея размерность времени, определяется только теплофизическими свойствами материала и энергетическими характеристиками источника нагрева.

Рис. 1.2. Характеристика инерционности нагрева изделия при сварке

Возмущения, имеющие место в производственных условиях, могут быть: импульсными, ступенчатыми, апериодическими и колебательными. Так, при включении и отключении соседних мощных потребителей электроэнергии возмущения по напряжению сети носят импульсный характер; возмущения по длине дуги могут иметь ступенчатый или апериодический характер, а при сварке с короткими замыканиями дугового промежутка — колебательный. Экспериментальный и теоретический анализ влияния возмущений на геометрию сварного соединения с учетом инерционности нагрева изделия позволяет сделать следующие выводы:

• если время воздействия импульсного возмущения t_и « τ_n, то такое возмущение практически не отражается на геометрии сварного соединения;
• ступенчатые и апериодические возмущения могут отразиться на форме сварного шва, что требует введения ограничений на пределы изменений такого рода возмущений;
• периодические возмущения не влияют на размеры соединений, если частота колебаний ω >> τ^-1_n. Например, при автоматической сварке под флюсом сталей электродом диаметром 5 мм граничная частота колебаний скорости подачи электрода ω_гр = 1,5...2 период/с.

Автоматическое управление сварочными процессами как объектом управления (ОУ) требует выработки управляющих воздействий X_y(t) с таким расчетом, чтобы регулируемая величина — параметр процесса Х_вых(t) изменялась по требуемому закону, задаваемому воздействием X_вх(t) независимо от влияния на объект любых возмущений f_l(f)...f_n(t) (рис. 1.3). При этом источником воздействия на систему обычно является и главная отрицательная обратная связь X_o.c(t), по которой информация о текущем значении параметра процесса сварки подается на вход автоматического управляющего устройства (АУУ) и используется для определения отклонения ΔX(t) = X_вх(t) - X_вых(t), преобразуемого в воздействие X_y(t) на объект с целью устранения возникшего отклонения ΔX(t).

При проектировании систем автоматического управления анализ сварочных процессов проводят с целью:

• определения связи выходных параметров процесса с показателями качества (эксплуатационными свойствами) сварных соединений и выбора наиболее значимых из этих параметров для использования в качестве контролируемых и регулируемых;
• оценки вероятных возмущений f(t), их влияния на сварочный процесс и показатели качества сварных соединений, формулирования на этой основе задач автоматического регулирования процессом в целом;
• выбора управляющих (регулирующих) воздействий.

Непосредственное решение общей задачи автоматизации сварочных процессов в настоящее время затруднено многомерностью объектов автоматизации, поэтому ее обычно расчленяют на отдельные частные задачи, в которых система источник питания — источник нагрева — изделие рассматривается в виде упрощенной совокупности одномерных объектов с одной входной и одной выходной величинами. При этом в качестве переменных рассматриваются только параметры, характеризующие процесс образования сварных соединений и подлежащие в связи с этим стабилизации или изменению по заранее выбранному закону.

Для одномерных объектов управления связь между входной и выходной величинами в установившемся состоянии определяется статической характеристикой. Такие характеристики не зависят от времени и обычно задаются в графическом виде, реже — в аналитическом. Из множества статических характеристик, которыми может описываться сварочный процесс при разработке конкретных автоматических систем, используют только ту, которая связывает параметры процесса, подлежащие управлению. Так, при разработке систем автоматического регулирования уровня металлической ванны при ЭШС необходимо использовать только зависимость падения напряжения на ванне от ее глубины, в то время как для систем стабилизации электрическихпараметров ЭШС наибольшее значение имеет вольт-амперная характеристика.

Динамические свойства сварочных процессов как объектов управления с достаточной степенью точности определяются при описании их дифференциальными уравнениями, которые в общем случае оказываются нелинейными. Линеаризация таких уравнений с целью упрощения их анализа и решения ограничивает исследования процесса только случаем малых отклонений его от равновесного состояния. Достаточно полное описание сварочного процесса можно получить, если отразить его структурной схемой [1], представляющей совокупность типовых динамических звеньев и связей, отражающих отдельные этапы процесса в целом и их взаимодействие.

При прогнозировании качественных показателей сварных соединений в процессе их выполнения, построении самонастраивающихся систем управления сваркой и решении других подобных задач обычно прибегают к формализованному описанию сварочного процесса как объекта управления путем представления его в виде математической модели. Такие модели описывают только те особенности процесса, которые существенны для его управления, а также ограничения, обусловленные техническими, экономическими и другими факторами. Целью моделирования является установление математической зависимости между выбранным показателем качества Y_n сварного соединения и параметрами Х_pn процесса (рис. 1. 4):

Y_n = А{Х_1n... Х_pn}.

Сварочный процесс может описываться множеством моделей, каждая из которых в рамках определенной концепции фиксирует формализованное отражение сложной реальности [7, 23].

Рис. 1.3. Схема системы автоматического управления с одной управляемой величиной

Наиболее полно сварочные процессы описываются детерминированными моделями, устанавливающими связь между входными и выходными параметрами на основании существующих физических закономерностей. При этом учитываются: пространственное поле электрического тока в свариваемых деталях, к которым подвод тока осуществляется, например, при точечной контактной сварке, через контакты между электродами и деталями; температурное поле, описываемое уравнениями теплопроводности с соответствующими граничными условиями; пластическая деформация свариваемого материала, определяющая кинетику протекания процесса на всех стадиях контактной сварки. Такие модели, представляемые в виде уравнений, могут быть статическими и динамическими. Статические модели являются наиболее простыми и описываются алгебраическими или трансцендентными уравнениями, которые не учитывают случайных изменений параметров, переходных процессов, а также медленного изменения характеристик объекта во времени, связанного с износом оборудования, старением и др.

Более сложными являются детерминированные динамические модели, отражающие особенности поведения объекта во времени. Например, математическая модель для текущей температуры зоны сварного соединения при ионном переносе в тлеющем разряде имеет вид [11]:

где t — время нагрева; η_э — эффективный

КПД нагрева; I_p и U_p — соответственно сила тока и напряжение тлеющего разряда; F — площадь поперечного сечения соединяемых деталей; λ, с и р — соответственно теплопроводность, теплоемкость и плотность материала заготовок; b — коэффициент теплоотдачи.

В стохастических (вероятностных) моделях часть или все характеристики процесса описываются случайными функциями времени.

Математическая модель, основанная на установлении связей между входными и выходными параметрами путем применения экспериментально-статистических методов, представляется в виде уравнения регрессии, описывающего корреляционную зависимость между выбранным показателем качества сварного соединения Y_n и входными параметрами Х_pn, являющимися случайными величинами [7]. Для количественной оценки связи используется метод регрессионного анализа, основной предпосылкой применения которого является требование одномерного нормального распределения изучаемых параметров и выбранного показателя качества, однородность выборочных оценок дисперсий наблюдений. При этом независимые переменные должны быть измерены с погрешностью значительно меньшей, чем допустимая при определении критерия качества Y_n.

Модели, полученные экспериментально-статистическими методами (статистические модели), достаточно широко используются для прогнозирования качества сварных соединений и управления, так как они отражают закономерности процесса (режима) сварки конкретного изделия (данной марки материала, толщины) оборудованием определенного типа. Недостатком статистических моделей является снижение точности описания процесса при изменении условий сварки по сравнению с теми, при которых была получена модель (например, толщины свариваемого изделия, типа оборудования), а также при резком изменении одного или нескольких параметров-аргументов (например, зазора). Последнее связано с тем, что статистические модели не отражают динамику описываемых процессов.

Рис. 1. 4. Формализованное представление сварочного процесса

Модели, учитывающие множество деталей процесса, как правило, громоздки и малоэффективны в связи с усложнением процедуры расчета и аппаратурной реализации. Поэтому всю выборку экспериментальных данных обычно подвергают корреляционному анализу и на этой основе включают в модель только те параметры Х_pn процесса, которые наиболее тесно связаны (коррелированы) с качественным показателем Y_n. Это позволяет представить модель в виде простых линейных или нелинейных функционалов. Эффективность модели обычно оценивают критерием минимума средней квадратической погрешности прогнозирования:

где Y_pn и Y_ф — соответственно расчетное и фактическое значение прогнозируемого параметра.

Погрешность расчетов с помощью современных моделей сварочных процессов обычно 1... 3%.

Прогнозирование свойств объекта управления при сварке в условиях минимального объема априорной информации о нем может быть осуществлено синтезированием математических моделей на ЭВМ при помощи индуктивного метода самоорганизации [14]. Применяемый в этих случаях метод группового учета аргументов позволяет определить самоорганизующуюся модель оптимальной сложности по заданному критерию, позволяющую выявить закономерности, действующие в объекте управления.